太陽能通道燈系統設計方法

太陽能通道燈系統設計方法

摘要：太陽能具有節能、環保、方便的優點。通過設計合理的太陽能通道燈系統，既解決了通道白天沒有電源無法亮燈的難題，又節約了能源。

關鍵詞：太陽能、光電轉換、通道燈、太陽能電池板、控制器、蓄電池、逆變器

前言

　　太陽是一個巨大、久遠、無盡的能源。太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費使用，又無需運輸，對環境無任何污染，具有節能、環保、方便的優點。

　　按接受太陽能輻射量的大小，我國大致上可分為五類地區。深圳地處亞熱帶，氣候冬暖夏熱，屬于三類地區，全年日照時數為2200～3000小時，具備利用太陽能的有利自然條件。

　　太陽能直接應用有光熱轉換、光電轉換、光化學轉換三種，間接與綜合利用種類更加繁多。光電轉換主要有太陽能電池板和太陽能供電系統；光熱轉換主要有熱水器、開水器、太陽灶、干燥器等；光化學轉換主要是光合作用、光電化學作用的應用，現尚處在實驗研究階段。

一、太陽能通道燈系統簡介

　　1、太陽能通道燈系統安裝背景

　　深圳有許多立交橋的通道長度超過40米。這些通道由于采光不足，白天也顯得很暗，特別是路燈開啟前及路燈關閉后的各1個多小時和陰雨天時，通道內更是漆黑。為了市民的安全，通道必須24小時亮燈。但原有通道燈接路燈電源，只能在晚上亮燈。如果采用市電供電白天亮燈，就要重新敷設線路，投資大，施工困難；采用太陽能光伏系統供電投入小，施工方便。

　　另一方面，近年來深圳電力供應緊張，政府提倡節約用電。因此，很有必要安裝太陽能通道燈系統。

　　2、通道情況

　　下面以洪湖立交南側通道為例，討論該系統的組成。
　　洪湖立交南側通道長40米，寬6米，通道到安裝太陽能裝置的地點距離約15米，原有3套250W高壓鈉燈，在晚上才有電源。

　　3、系統原理

　　太陽能的光電轉換是指太陽的輻射能光子通過半導體物質轉變為電能的過程，通常叫做“光生伏打效應”。
　　太陽能通道燈系統作原理見圖1。主要組成部分包括太陽能電池方陣、控制器、蓄電池、逆變器、燈具。

圖1 太陽能通道燈系統原理圖

原有通道燈總功率為750W，用太陽能來供電所需的太陽能電池功率、蓄電池容量較大，系統造價偏高，而且一套燈具24小時*365天一直亮燈，燈泡壽命會降低。因此，為保證穩定的照明效果，另外安裝一套太陽能通道燈系統。晚上市電供電時，原有通道燈亮；晚上市電故障或白天時，點亮由太陽能供電的通道燈，保證通道一直亮燈。

二、直流/交流負載比較與選擇

　　如選用直流負載，可省略了逆變器這一中間環節，提高能源利用效率。但由于通道長40米，由蓄電池到末端燈具約40+15+5＝60米，24V直流電壓線路損耗高達10％；此外，直流低壓大電流控制損耗大，升降電壓技術比較復雜，直流節能燈光效低（45Lm/W），壽命短（5000小時），采購困難等。

　　相比之下，雖然使用交流負載利用率稍低，但逆變器的轉換效率＞90％，損耗并不是很大，而交流負載更實用、方便，所以選用交流負載。
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三、光源的選擇與燈具布置

　　通過對光源光效、壽命、價格、通用性等綜合比較，選擇5*25W高效節能燈。燈具布置如下：

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　　圖2 燈具布置

四、太陽能電池板
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　　太陽能電池板是太陽能光電轉換的主要部件。太陽能電池組件的峰值功率Pk，由當地的太陽平均輻射強度與末端的用電負荷(需電量)決定。

　　1、峰值功率選擇（估算公式）：

　　Pk=燈具功率×燈具數量×每日使用時間÷每天有效日照時間÷太陽能電池方陣實際使用功率系數÷蓄電池轉換效率÷逆變器效率
　　Pk＝25(W)×5(套)×12(H)÷5(H)÷0.7÷0.85÷0.9＝560.22W

其中：

　　1）由于市電通道燈亮燈時間由經緯儀隨季節變化而調節，太陽能通道燈每天亮燈時間11～14小時，取12小時。
　　2）太陽能電池方陣實際使用功率系數考慮了太陽能電池板的充電效率和充電過程中的損耗，取0.7。
　　所以，太陽能板功率選取為600W(75W×8pcs)

　　3、安裝傾斜角度為33～35度，方向正南方，既便于充分吸收太陽能，又可利用雨水對太陽能板進行自清洗。

五、控制器

控制器采用PWM脈寬調制控制器。具備以下功能：
1、過充保護：當電池電壓超過28V時，停止充電；
2、過放保護：當電池電壓低于22V時，切斷負載；
3、蓄電池充電溫度補償；
4、正極反接保護；
5、短路保護；
6、過載保護；
7、過熱保護(帶散熱裝置)；
8、雷擊保護；
9、小功率交流補充充電系統：當陰雨天，太陽能充電不足，電池電壓低于直流22V時，在晚上通過高頻整流開關將交流220V市電轉換成直流24V，對蓄電池進行補充充電；
10、檢測市電及切換：當晚上有市電電源時，市電通道燈亮，控制器關掉太陽能通道燈；當晚上市電故障時或白天時，控制器檢測到沒有市電信號，開啟太陽能通道燈。這樣比裝時控開關更能保證通道24小時亮燈。

六、蓄電池

　　蓄電池是儲存電能的裝置。由于太陽能光伏發電系統的輸入能量極不穩定，所以一般需要配置蓄電池系統才能工作。
由于在室外安裝，選用閥控免維護鉛酸蓄電池。因12V蓄電池較為常見，所以用兩個12V電池串連成24V。

1、蓄電池容量選擇：

　　在上節控制器部分談到，陰雨天時可以在晚上用市電對蓄電池進行補充充電；在晚上市電故障時，點亮太陽能通道燈。但最壞情況是兩種情況同時出現，就要靠蓄電池單獨供電。另一方面，為保證蓄電池穩定運行，要求蓄電池放電深度在40％～60％之間。當然，維護工人會及時處理市電故障，所以只需考慮市電故障和陰雨天同時出現1天的情況。
蓄電池容量為25W×5×12h×1÷24V÷0.4÷0.85÷0.9＝204.25Ah
選兩個12V/200Ah蓄電池。

2、蓄電池在第一次使用時，要先充電到額定容量，不可過充或過放。

七、逆變器

　　逆變器通過功率半導體開關器件的開通和關斷作用，將直流電能轉換成交流電能。

1、逆變器3種波形的比較：

方波：見圖3。結構簡單，造價低，轉換效率＞75％，感抗負載差，適用于一般的阻抗負載如普通白熾燈等。
正弦波：見圖4。轉換效率高達95％，波形精確穩定，適用于電信通信設備及一切電器負載，但造價高。
修正正弦波：見圖5。轉換效率＞90％，性能接近正弦波，造價比較低。